Зависимость критической плотности энергии инициирования PENT-никель от размера наночастицы

Зависимость критической плотности энергии инициирования PENT-никель от размера наночастицы

В работе рассчитана зависимость критической плотности энергии инициирования композитов PENT-никель от размера наночастицы в диапазоне от 10 до 120 нм при инициирование импульсом длительностью 15.6 нс на полувысоте. Зависимость имеет ярко выраженный минимум с координатами 71.5 712 448 мДж/см2 и 60 нм. Результаты необходимы для оптимизации состава оптического детонатора.

Широкое использование энергетических материалов в быту и промышленности сопровождается учащающимися случаями их несанкционированного срабатывания [7, с. 195]. В результате — многочисленные разрушения и человеческие жертвы. Уменьшение количества техногенных катастроф является одной из основных задач современной науки. Для уменьшения опасности вскрышных работ в горнодобывающей промышленности в нашей лаборатории предложено перейти на использование оптических детонаторов [1, с. 471]. В работах [1, с. 471, 3, с. 26, 9, с. 53, 12, с. 39] разработан капсюль оптического детонатора на основе азида серебра — инициирующего взрывчатого вещества (ВВ). Исследование кинетического механизма взрывного разложения ВВ с экспериментальным доказательством отдельных стадий и комплексной оценкой констант скоростей всех реакций взрывного разложения позволили оптимизировать оптический детонатор на основе инициирующего ВВ [3, с. 26, 9, с. 53, 12, с. 39]. Однако наибольший эффект от применения оптических детонаторов может быть достигнут при использовании энергетических материалов с высокими порогами инициирования ударом и нагревом [25, с. 31]. Для этого в нашей лаборатории предложено создавать нанокомпозиты на основе бризантных взрывчатых веществ и светопоглощающих наночастиц [2, с. 14]. Значения измеренных порогов инициирования взрывчатого разложения пентаэритриттетранитрата (тэн) с добавками наночастиц алюминия составили около 1 Дж/см² (при неизменном пороге инициирования ударом) [5, с. 805, 7, с. 296, 10, с. 40, 11, с. 92, 16, с. 80, 18, с. 212], что примерно в 100 раз меньше по сравнению с чистыми прессованными таблетками тэна [10, с. 40]. Начаты исследования взрывного разложения прессованных таблеток тэн — никель, гексоген — никель в зависимости от длины волны излучения [7, с. 295, 8, с. 7, 17, с. 14, 19, с. 341, 20, с. 149, 21, с. 145]. Начато изучение оптических свойств отдельных наночастиц металлов в прозрачных матрицах и прессованных таблеток на основе вторичных ВВ и наночастиц алюминия [15, с. 751], кобальта [7, с. 295], никеля [6, с. 686, 7, с. 295, 17, с. 14], меди [13, с. 90], золота и серебра [26, с. 39].

Однако экспериментальные исследования взрывного разложения энергетических материалов осуществлялось при длительности импульса на полувысоте 15.6 нс [22, с. 120], а теоретические — при 12 [10, с. 40], 14 [4, с. 50], 20 [22, с. 121], 30 [14, с. 160, 23, с. 55] нс. Для сравнение экспериментальных и теоретических закономерностей взрывного разложения длительность импульса должна быть одинаковой. Целью настоящей работы является расчет критической плотности энергии инициирования композитов тэн — никель при различных радиусах наночастиц и длительности инициирующего импульса, соответствующей экспериментальной (15.6 нс).

Наносекундная длительность импульса возбуждения приводит к тому, что процессы переноса и перераспределения поглощаемой в веществе энергии за время действия излучения затруднены. По окончанию импульса около локальной неоднородности, обладающей высоким значением коэффициента поглощения, возникает очаг химического разложения. Если энергия импульса достаточно велика, теплоприход от разложения энергетического материала превысит теплоотвод из зоны реакции за счет теплопроводности. В случае нанокомпозитов тэна, содержащих наночастицы металлов свет импульса претерпевает многократные отражения на границах зерен и наночастицах металлов, что позволяет использовать (как и в работах [1−5, 7−12, 16−26]) при расчетах сферическую симметрию, считая наночастицы также сферическим. Вопрос о влиянии формы наночастиц не исследован, однако в эксперименте старались использовать наночастицы по форме максимально приближенные к сферам. Нужные наночастицы получаются несколькими способами: для алюминия это электровзрыв в вакууме, для наночастиц подгруппы железа (в том числе — никеля) и благородных металлов — химическим методом: восстановлением свежеосажденного гидроксида необходимого металла гидразином. Изменением условий синтеза можно получить не только сферические наночастицы, но и с необходимыми радиусами ® с узким распределением.

Основные процессы, учитываемые в модели, — нагрев наночастицы лазерным излучением, отвод тепла в энергетический материал и химическая реакция экзотермического разложения взрывчатого вещества. Для близких систем модель сформулирована в работах [7−12, 16−26]. Параметры модели для тэна и никеля заимствованы из работы [8, с. 10]. Методика численного решения [27, с. 33] уравнений модели выполнялось на сетке с переменным шагом по координате и сформулирована в работе [24, с. 380] и апробирована в работах [7−12, 16−23]. Полученная в этих работах система обыкновенных дифференциальных уравнений решалась методом Рунге-Кутты 1−5 порядка с переменным шагом по времени. Определение критической плотности энергии осуществлялось методом деления отрезка пополам, определяющим быстрое нахождение искомой величины с необходимой точностью. В работах [3, с. 26, 4, с. 51] точность задавалась на уровне 10^-3, в более поздних — 10^-4 [7−12, 16−26]. Однако такая точность не позволяет исследовать динамику образования очага реакции, аналога цепно-тепловых режимов процесса, сопровождающихся уменьшением температуры очага перед взрывом [14, с. 160]. В настоящей работе использовано не только экспериментально определенная длительность импульса [22, с. 120], но и значительно увеличена точность расчета пороговой энергии инициирования. Расчет продолжался для каждого радиуса наночастицы ® до тех пор, пока максимальное значение плотности энергии, при которых взрывной режим не реализуется (H_{max_at}), и минимальное значение плотности энергии, при которой реализуется взрывной режим (H_{min_exp}) не отличается менее чем на 10^-8.

Таблица. Рассчитанные при радиусах наночастиц никеля R максимальные значения плотности энергии, при которых взрывной режим не реализуется (H_{max_at}), и минимальные значения плотности энергии, при которых реализуется взрывной режим (H_{min_exp}).

В таблице приведены рассчитанные при радиусах наночастиц никеля в диапазоне от 10 нм до 120 нм значения H_{max_at} и H_{min_exp}. Зависимость H® имеет минимум с координатами 71.5 712 448 мДж/см² и 60 нм. Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю профессору А. В. Каленскому.

• 1. Ananyeva M.V., Kalenskii A.V. The size effects and before-threshold mode of solid-state chain reaction // ЖСФУ. Серия: Химия. — 2014. — Т. 7. — № 4. — С. 470−479.
• 2. Ananyeva M.V., Kriger V.G., Kalensii A.V. and others Comparative analysis of energetic materials explosion chain and thermal mechanisms // Известия ВУЗов. Физика. — 2012. — Т.55. — № 11−3. — С. 13−17.
• 3. Borovikova A.P., Kriger V.G., Kalenskii A.V. and others Time-space parameters of the explosive decomposition of energetic materials moving reaction wave // Известия ВУЗов. Физика. — 2012. — Т. 55. — № 11−3. — С. 25−29.
• 4. Grishaeva E.A., Kalensii A.V., Zvekov A.A. and others Transition from slow decomposition process into the self-accelerated mode in energetic materials // Известия ВУЗов. Физика. — 2012. — Т. 55. — № 11−3. — С. 50−53.
• 5. Kalenskii A.V., Ananyeva M.V. Spectral regularities of the critical energy density of the pentaerythriol tetranitratealuminium nanosystems initiated by the laser pulse // Наносистемы: физика, химия, математика. — 2014. — Т. 5. — № 6. — С. 803−810.
• 6. Zvekov A.A., Ananyeva M.V., Kalenskii A.V. and othersRegularities of light diffusion in the compo site material pentaery thriol tetranitrate — nickel // Наносистемы: физика, химия, математика. — 2014. — Т. 5. — № 5. — С. 685−691.
• 7. Ананьева М. В., Каленский А. В., Гришаева Е. А. и др Кинетические закономерности взрывного разложения ТЭНа, содержащего наноразмерные включения алюминия, кобальта и никеля // Вестник КемГУ. — 2014. — № 1−1 (57). — С. 194−200.
• 8. Ананьева М. В., Звеков А. А., Зыков И. Ю. и др Перспективные составы для капсюля оптического детонатора // Перспективные материалы. — 2014. — № 7. — С. 5−12.
• 9. Ананьева М. В., Каленский А. В. Инициирование взрывного разложения микрокристаллов азида серебра // Молодой ученый. — 2014. — № 19. — С. 52−55.
• 10. Адуев Б. П., Нурмухаметов Д. Р., Фурега Р. И. и др. Взрывчатое разложение ТЭНа с нанодобавками алюминия при воздействии импульсного лазерного излучения различной длины волны // Химическая физика. — 2013. — Т. 32. — № 8. — С. 39−42.
• 11. Адуев Б. П., Ананьева М. В., Звеков А. А. и др. Микроочаговая модель лазерного инициирования взрывного разложения энергетических материалов с учетом плавления. // ФГВ. — 2014. — Т. 50, — № 6. — С. 92−99.
• 12. Боровикова А. П., Каленский А. В., Зыков И.Ю.Пространственно-временные характеристики волны горения в азиде серебра // Аспирант. — 2014. — № 3. — С. 37−42.
• 13. Газенаур Н. В., Зыков И. Ю., Каленский А. В. Зависимость показателя поглощения меди от длины волны // Аспирант. — 2014. — № 5. — С. 89−93.
• 14. Гришаева Е. А., Кригер В. Г., Звеков А. А. и др. Механизм цепно-теплового взрыва энергетических материалов // Известия ВУЗов. Физика. — 2013. — Т. 56. — № 9−3. — 2013. — С. 159−162.
• 15. Звеков А. А., Каленский А. В., Никитин А. П. и др. Моделирование распределения интенсивности в прозрачной среде с Френелевскими границами, содержащей наночастицы алюминия // Компьютерная оптика. — 2014. — Т. 38. — № 4. — С. 749−756.
• 16. Зыков И. Ю. Критическая плотность энергии инициирования тэна // Современные фундаментальные и прикладные исследования. — 2013. — Т. 1. — № 1 (8). — С. 79−84.
• 17. Иващенко Г. Э., Одинцова О. В. Исследование взрывной чувствительности композитов гексоген-никель // NovaInfo.Ru. — 2015. — Т. 2. — № 33. — С. 13−19.
• 18. Каленский А. В., Звеков А. А., Ананьева М. В. и др Взрывная чувствительность композитов тэн-алюминий к действию импульсного лазерного излучения // Вестник КемГУ. — 2014. — № 3−3 (59). — С. 211−217.
• 19. Каленский А. В., Ананьева М. В., Звеков А. А. и др Спектральная зависимость критической плотности энергии инициирования композитов на основе пентаэритриттетранитрата с наночастицами никеля // Фундаментальные проблемы современного материаловедения. — 2014. — Т. 11. — № 3. — С. 340−345.
• 20. Каленский А. В., Зыков И. Ю., Боровикова А. П. и др. Критическая плотность энергии инициирования композитов тэн — никель и гексоген — никель // Известия ВУЗов. Физика. — 2014. — Т. 57. — № 12−3. — С. 147−151.
• 21. Каленский А. В., Звеков А. А., Зыков И. Ю. и др. Чувствительность композитов гексоген-алюминий // Известия ВУЗов. Физика. — 2014. — Т. 57. — № 12−3. — С. 142−146.
• 22. Каленский А. В., Ананьева М. В., Звеков А. А. и др. Кинетические закономерности взрывчатого разложения таблеток тетранитропентаэритрит-алюминий // ЖТФ. — 2015. — Т. 85. — № 3. — С. 119−123.
• 23. Кригер В. Г., Каленский А. В., Звеков А. А. и др. Влияние эффективности поглощения лазерного излучения на температуру разогрева включения в прозрачных средах // ФГВ. — 2012. — Т.48. — № 6. — С. 54−58.
• 24. Кригер В. Г., Каленский А. В., Звеков А. А. и др. Процессы теплопереноса при лазерном разогреве включений // Теплофизика и аэромеханика. — 2013. — Т. 20. — № 3. — С. 375−382.
• 25. Никитин А. П. Расчет параметров инициирования взрывного разложения тэна // Современные фундаментальные и прикладные исследования. — 2013. — № 2 (9). — С. 29−34.
• 26. Одинцова О. В. Расчет взрывной чувствительности композитов пентаэритритатетранитрат-серебро к действию лазерного импульса // Современные фундаментальные и прикладные исследования. — 2014. — № 4 (15). — С. 38−43.
• 27. Шайтован. Н. Ж. Новые информационные технологии // NovaInfo.Ru. — 2013. — № 13. — С. 32−34.